摘 要　介绍了在先进技术的推动下，采用先进备件管理方案的可应用性，深入讨论了按系统考虑的方案（以下简称“系统方案”），该方案的目标是直接地使整个技术系统达到高利用率，并给出一个库存备件有限投资的预算方案，与这种系统方案相比，传统的库存备件管理方案追求各个机件的高利用率，给出一个库存备件的保管费用和订货费用明细表。实践表明，在使用本系统方案时，投入到库存备件的资金会大量减小，即介于35%到45%之间。还介绍了系统利用率从5%增长到45%的一些案例。

    一、引言
    当今很多现代制造业和服务业严重依赖技术系统的可靠性和可利用性，经常发生故障或者长时间停工，导致巨大的生产损失，最后，在竞争中处于落后状态。为了减少停工时间，人们常常应用一种叫做“用更换代替修理”的策略，显然，为了正确地实施这个策略，必须储备一定量的备件。于是自然要回答下面的问题：即为了实现系统预定的运行利用率目标，应该储存多少备件？或者在当前的经济形势下，更普遍的问题是在有限的备件投资预算条件下，为了最大限度地提高长期的平均运行利用率，应储存哪些必不可少的备件？投入备件的总资金应是多少？
    虽然上述问题似乎很合乎逻辑，但是这些问题却不能用普通的库存量控制模型来回答。因为这些问题集中在各个零件的利用率上。这些模型可能鉴定为按零件考虑的方案（以下简称零件方案）。这些模型的例子包括统计库存量控制（SIC）技术和材料需求计划（MRP）。应注意到所有ERP系统中都使用SIC或MRP相关的技术来控制各种备件库存量。
    由于某些原因零件方案不能掌握备件的专有特性，其一，在系统的利用率和备件费用之间并无直接的关系。其二，假设备件的需求是有规律性和相当的可预测性，但是，相反，备件的需求和起源于故障，按照定义故障是不可预测的。其三，与储存备件相关的费用绝对占主要部分，对保管费用和订货费用之间的多余费用要做一种比较分析，在SIC技术中使用经济合理订货量（EOQ）方法做了这样一些比较分析工作。由于零件方案有缺点，很多人的精力集中到开发实际用于备件管理的系统方案上，例如有W.D.Rustenburg（2000），W.D.Rustenburg等人（2000）、（2001），以及C．C．Sherbrooke(1992)等人的著作。
    系统方案的目的是想获得和说明技术系统的运行利用率和储存备件投入的资金之间的最佳关系。因此，要考虑到备件的专有特点。
    本文的基本目标是想说明备件管理系统的可应用性并使可控制的备件费用下降。为了获得这个结论，必须讨论三个问题，第一，从理论观点看必须说明系统方案要比零件方案能更好地适合于零件的专有特点。第二，若干案例研究证实了系统方案的附加值。第三，一个卓有成效的执行程序要有一个明确的移动路线。
    二、备件对利用率和备件费用支出的巨大影响
    在讨论备件和技术系统运行利用率时发生的一个实际存在的问题是：①在哪些情况下能够把因维修作业造成的停工时间与备件供应延误造成的停工时间区别开来；②备件是可能造成供应延误最关键的供应资源吗。
    在下边各小节中将回答这些问题。
    1．维修利用率和备件供应利用率的分离
    技术系统的运行利用率主要取决于下面三个因素：
    (1)前后两次故障之间的时间取决于可靠性；
    (2)维修作业的实际持续时间取决于设备的可维修性；
    (3)要求提供后勤供应资源（人员、工具和备件）的时间取决于支援能力。
    在图1中形象化地表示了上述三个组成因素之间的相关性。在这里运行利用率是指因维修或备件供应延误而没有造成系统停工的时间，以百分比表示。为区分维修和供应的影响，通常的做法是用维修利用率和供应利用率的乘积近似地作为运行利用率来看待。本文其余部分将重点研究供应利用率，因为备件只影响到供应利用率。本文中使用利用率这个词时就是指供应利用率。

    注意：假如两个利用率都很高（比如说＞90%），那么维修利用率和供应利用率的乘积是一个非常近似的运行利用率。
    2．备件可视为一种主要供应物资
    平均的备件供应延误是由各种后勤要素组成的。有三个理由证明备件供应特点。第一，在Rustenburg(2000)一文中表明，备件的短缺常常是供应延误中最主要的因素。第二，与工具和人员相比，备件的投说资金是很庞大的。第三，人员包括工具是很难模型化的，导致难以优化程序。
    三、系统方案在利用率和备件费用之间可建立一种最佳的关系
    正如引言中所讲的，在系统方案中我们特别感兴趣的是回答下列问题：在整个供应链中为实现有限的备件投资，技术系统的最大利用率是多少？或者反过来说，在规定的目标利用率要求下最小的备件投资额是多少？
    为了有效地应用系统方案，首先需要适当地模拟技术系统状态和后勤供应状态。在模拟定义的基础上，建立一个数学问题的公式和求解这个公式。最终将全神贯注于系统方案和零件方案之间的最明显的差别。
    1．模拟技术系统和后勤供应系统的状态
    很清楚，为了合理地应用系统方案模型，需要下列信息。
    ①技术系统的结构和特性，这里我们根据备件状况，可能想到有层次的结构，以及其它公共的和冗余的特性。
    ②故障发生过程，在这里考虑到故障发生时间的分布状态，以及在材料破损时，各个层次中的故障的相互依存性。
    ③后勤供应的结构和过程，在这里要考虑和决定备件存储位置和维修站点的配置，在已知修理和分配程序情况下，确定后勤供应结构。
    (1)系统结构的模型及其特性
    有代表性的一种系统结构的例子如图2所示。

    在研究产品结构时，重要的问题是将重点放在可能严重影响备件分配过程的特点上。下面列举和说明哪些特征必须包括在备件模型中。
    ①多层次结构。多层次是与破损零件所在的层次有关，例如3个层次：总装件、分装件（局部装配）、零件。重要的是要考虑它们的特征，因为低层次的机件，例如分装件会影响较高层次如总装件的修理时间。
    ②共同常用备件。许多相同零件可能出现在不止一个层次上，就总装件（ASs）而言，可能出现在各个系统中，同样，分装件（SAs）（局部装配）和零件，可能出现在各个总装件或分装件上。
    ③风险备件。一个零件的风险性反映在该零件因其故障失效，表现在系统停止工作的概率上。风险性的差别可能发生在材料破裂的不同层次上。就系统层次而言，根据风险性可能区别各个系统，对总装件这一层次，情况也是这样。
    ④冗余备件。一个系统可能不仅包括主动冗余零件，还包括备用冗余零件。这些备用冗余零件可分为两种不同类型，即冷态备用件和热态备用件。冷态备用件指的是（极端的）情况，在此极端情况下，备用零件不会遇到故障，而热态备用件指的是另一种极端情况，在另一种极端情况下，零件备用冗余件就像主动冗余零件那样会遇到相同的故障概率。
    (2)模拟故障过程
    根据假定，总装件连续发生的故障是彼此独立的，因此，故障间隔期遵循指数分布形态。情况是这样，在一个给定的时间区内，故障发生的次数遵循泊松分布，然而，在所有的ERP系统中假设要求是正态分布，这种类型的分布表现为相当连续的故障过程，在研究现实的故障过程时，查明这种故障过程根本是错误的。
    再者，假定有一个简单的故障结构，当一个技术系统发生故障时，此系统是由于一个总装件发生失效，而且仅仅是由一个总装件的失效造成的。这个总装件的失效也仅仅是最多由一个分装件（局部装配）或者一个部件的失效造成的，这就是说假定这些失效是完全独立的。
    (3)模拟后勤供应结构及其过程
    一般来说，涉及一个多阶段结构（多站），看到最多的结构是三个阶段(图3)。第一阶段在现场，我们有装配基地，一般来说，维修人员能通过更换总装件的方式进行修理，另外，某些紧急备用总装件可以配置在现场内。第二阶段是由位于地区内的修理点和备件存储点组成（以欧洲为例），在这里进行正常的修理任务和存储一些备件，这些备件可能由下列三部分组成，即补充现场所需的总装件以及补充分装件（或局部装配）最后补充修理所需的零件。第三阶段一般是由修理点和具有总库性质的备件存储点组成，覆盖的区域有美国、EMEA和远东。在这些修理点进行复杂的修理作业，另外，全部零件可能保存在备件存储点内，或是补充下一阶段使用，或是供应中间阶段，使之能进行修理作业。

    关于后勤供应程序，我们对报废有一个补充说明，许多总装件常常是局部可修理的，这说明在发生故障后有可能进行修理。报废率是在诊断后不许再继续修理的概率，假如属于报废这种情况，为了补充储备量，那么就得进行采购。应该注意，易损件是属于局部可修理零件的极端情况，因为易损件的报废率是100%。
    2.利用率等的计算公式
    在有限的备件投资额条件下，基本目标是最大限度地提高装配基地的利用率。假定装配基地有N个场地，其利用率A是由每个场地的利用率An的平均值来决定，换句话说
     
    让我们注视一个具体场地n上的具体系统，在总装的所有位置上只要没有停工待料，就算正常，换句话说，假如在场地上没有延期交付总装件，那么就认为系统是在“运行”状态。场地n的利用率An就可以由该场地没有因缺乏备件而停工的时间的百分比来确定。换句话说，从供应观点看，在全部终端产品（总装）自始至终没有延期交付备件的情况下，那么这个场地就是处在利用状态。换句话说
     
式中  BOin＝在场地n上有i个延期交付总装件
    P(BOin>0)＝在场地n上有i个总装件延期交付的概率
    在某种投入备栓的资金有限制的预算条件下，目标是最大限度地提高平均利用率A，可以这样说，这就等于在某种投入备件的资金有限制的预算条件下，使总装件的延期交货的概率达到最小值。延期交货的概率是多阶段和多层次结构直接影响的结果。
    在下面我们对这个影响将给出某些直观的看法，要深入了解数学公式的描述，可参考Rustenbllrg（2000）一文。
    初看起来，好像上面的公式仅仅考虑现场的总装（见图3最右面一站），可情况不是这样，在许多场地内延期交货的总装件是直接取决于供应线，在供应线上有全部修理的备件。
    让我们稍微深入地考虑一下传输时间，系统的全部传输时间是由系统的传输时间加上等待下一阶段总装件的时间组成（即图3中的第二阶段），后者的等待时间完全取决于第二阶段存储点的总装利用率。类似的紧密联系适用于修理，在这里我们还必须处理实际的修理时间和等待时间的关系。后者完全取决于分装件装配的利用率，所以，要把分装件装配的存储点与确定总成装配的修理传输线路结合在一起考虑。
    同样的联系适用于第二和第三阶段之间的关系，也适用于分装件装配和零件装配之间的关系。
    3．系统方案的解决程序
    虽然，配置程序的结果应该形成存储点的配置决策，这一决策既是优化利用率又是优化备件费用，由于这个原因我们应用称之为“渴求算法”将备件配置在各个位置上。
    粗略地讲这个程序如下述：假定从“刻线”开始，也就是把所有库存量都等于零，对于每个备件来说，当配置了这个零件时每投入一份资金￠就决定了利用率的提高，选择这样的备件（最渴求的备件）用于配置，这种零件在利用率上每投入一份资金￠来选择提高的最大值。连续进行这个程序直至达到目标利用率为止。一种典型的利用率和备件投资额之间的比较选择如图4所示。

    4．系统方案与零件方案的主要区别
    在处理某些案例成果之前，概括出了建立在各自供应率基础上系统方案和传统的零件方案之间的基本差别，这里分别说明模拟特性(表1)和优化特性(表2)之间的区别。

    从表1对比中可知，零件方案完美地适合于快速周转的易损件，但这个方案却没有获得维修和备件的任何关键特性。

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